王志峰，丁 儉，李永艷，趙維民

（河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

稀土元素Ce、Nd對(duì)AZ91鎂合金顯微組織、顯微硬度及起燃溫度的影響

王志峰，丁 儉，李永艷，趙維民

（河北工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

主要研究了稀土元素Ce和Nd對(duì)AZ91鎂合金顯微組織、顯微硬度以及起燃溫度的影響，結(jié)果表明：隨著Nd、Ce添加量的增多，合金中層片狀共晶相減少，塊狀析出相增多，這主要是由于稀土元素優(yōu)先搶奪了合金中用于形成β相的鋁元素而形成“Al－稀土”化合物造成的。AZ91合金的起燃溫度和顯微硬度并不隨某一種或復(fù)合稀土元素含量的增加而單調(diào)變化，合金顯微硬度與燃點(diǎn)間的關(guān)系也并非高低相對(duì)應(yīng)，AZ91－3.0%Ce－1%Nd合金在兩數(shù)據(jù)上達(dá)到了最佳的匹配，有較好的應(yīng)用前景。

鎂合金；起燃溫度；顯微硬度；稀土

鎂合金是目前應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料[1]，在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越重要的作用。特別是鎂合金被制備成汽車材料和“3C”電子產(chǎn)品等材料，每年的需求量非常大。隨著節(jié)能減排工作的進(jìn)一步進(jìn)行，更多領(lǐng)域的鋼鐵材料、鋁合金材料及塑料制品被鎂合金材料所取代，從而大大降低了合金在熔煉過程中的耗電量和污染氣體的排放量。此外，這些鎂制品應(yīng)用到汽車零部件，將對(duì)汽車減重、節(jié)油起到重要作用，并可進(jìn)一步降低汽車尾氣的排放量。鎂合金將成為21世紀(jì)重要的輕質(zhì)高強(qiáng)度材料之一[2]。

然而，鎂及其合金燃點(diǎn)低、易燃燒，在生產(chǎn)中造成了不便，并影響了鎂制品產(chǎn)量的提升。通常為解決鎂熔煉中的易燃問題，各企業(yè)采用氣體保護(hù)法[3]、溶劑覆蓋法[4]、合金化阻燃[5]等方法，或幾種方法的結(jié)合使用。其中氣體保護(hù)法最為有效，但卻提高了設(shè)備的成本，也產(chǎn)生了更多的溫室氣體，不利于環(huán)保。溶劑覆蓋法需要在合金熔煉過程中不斷向熔體表面添加覆蓋劑，這些覆蓋劑有可能在合金中形成夾雜或夾渣，從而可能影響合金的機(jī)械性能。此外覆蓋劑高溫下產(chǎn)生的有害氣體將嚴(yán)重污染環(huán)境并損害人體健康[6]。而向鎂合金中加入阻燃元素以提高合金燃點(diǎn)的辦法正被越來越多的應(yīng)用，尤其是部分阻燃元素同時(shí)能起到提高合金力學(xué)性能的作用。因此，合金化阻燃方法被眾多學(xué)者所研究，也被更多的鎂制品企業(yè)所采用。雖然該方法形成的保護(hù)膜僅能在靜態(tài)下實(shí)現(xiàn)阻燃，而在動(dòng)態(tài)液體流動(dòng)中仍需一定量的氣體作為保護(hù)，否則將發(fā)生燃燒，但合金化阻燃方法和氣體保護(hù)法的結(jié)合使用，可大大降低保護(hù)氣的添加量，從而降低溫室氣體的排放量。

在過去的研究中[7－9]，更多的是側(cè)重阻燃元素對(duì)純鎂起燃溫度的提升作用，而對(duì)常用鎂合金的燃點(diǎn)影響研究較少，特別是對(duì)兩種阻燃元素復(fù)合添加的效果研究不系統(tǒng)，還存在較大的研究空白。本文即是基于此，通過大量實(shí)驗(yàn)，研究了Ce、Nd兩元素的復(fù)合添加對(duì)AZ91合金顯微組織、顯微硬度及起燃溫度的影響，為商業(yè)AZ91合金的生產(chǎn)提供重要的數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法

實(shí)驗(yàn)使用99.95%的工業(yè)純鎂，99.95%的工業(yè)純鋁，99.95%的鋅錠，99.98%的電解錳片，以及Mg－29.12%Ce、Mg－29.35%Nd中間合金來熔配AZ91合金（成分為 9.2%Al，0.7%Zn，0.2%Mn，＜0.05%Si，＜0.02%Cu，＜0.004%Fe，余量 Mg）以及 AZ91－RE（RE=Ce、Nd）合金。熔煉過程在石墨坩堝中，于帶保護(hù)氣的SG2－5－10A型坩堝式電阻爐中進(jìn)行。熔體攪拌一段時(shí)間待成分均勻后，被澆注進(jìn)鑄鐵模具中，隨后制備出?12mm×15mm的試樣進(jìn)行組織分析、硬度測(cè)試以及燃點(diǎn)測(cè)試。使用X射線分析儀對(duì)合金凝固相進(jìn)行確定。使用帶能譜分析（EDS）的掃描電鏡（SEM）分析合金的顯微組織和相的元素組成。采用HXD－1000型顯微硬度測(cè)試儀對(duì)試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試。使用WRE型熱電偶和PCLab Card series USB－4718 數(shù)據(jù)采集卡在 SG2－1.5－12型電阻爐中進(jìn)行試樣的燃點(diǎn)測(cè)試，爐體升溫速率設(shè)定為4℃/min。由于鎂合金（液）燃燒后釋放大量的熱，會(huì)在時(shí)間-溫度曲線上出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，曲線上的拐點(diǎn)即是該合金的起燃溫度即燃點(diǎn)。

2 結(jié)果與討論

典型AZ91D-Nd合金的顯微組織如圖1所示，合金的顯微組織主要由灰色基體、層片狀共晶和塊狀析出相組成。XRD分析顯示，合金凝固相主要由α-Mg相、β-Mg17Al12相、以及Al2Nd相構(gòu)成。EDS進(jìn)一步分析可知，灰色基體為100%的α-Mg相，較為明亮的層片狀組織為共晶α+β相，最明亮的塊狀組織為Al2Nd相。對(duì)比不同含Nd量的AZ91D-Nd合金的顯微組織，發(fā)現(xiàn)隨著Nd含量的增多，消耗了合金中的鋁元素，使得β相減少，而塊狀的“鋁-稀土”相數(shù)量增加、尺寸增大，且產(chǎn)生偏聚，造成合金組織和成分不均勻，易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致合金力學(xué)性能下降。同時(shí)還有可能增加合金的黏度，造成流動(dòng)性下降，導(dǎo)致鑄造缺陷增多，將會(huì)在一定程度上降低合金的力學(xué)性能。

AZ91D-Nd-Ce合金在凝固過程中，鈰和釹分別優(yōu)先搶奪了合金中用于形成β相的鋁元素，而生成AlmCen和AlmNdn化合物。因而合金凝固組織中β相大大減少，塊狀相大量分布。根據(jù)XRD檢測(cè)結(jié)果，可確定合金組織中含有的相為α-Mg、β相、Al2Nd和Al4Ce，而所析出的塊狀相應(yīng)為Al2Nd和Al4Ce。

如圖4所示為Ce和Nd復(fù)合添加時(shí)兩者的添加量對(duì)AZ91合金顯微硬度的影響三維關(guān)系圖。由圖可見，AZ91鎂合金的顯微硬度并不是隨某種稀土元素含量的增加而單調(diào)增加，也不隨兩者添加量總量的提高而單調(diào)變化。合金的顯微硬度大小取決于兩種稀土元素的共同作用。由于稀土元素原子半徑較大，當(dāng)兩種稀土元素混合添加進(jìn)AZ91合金中時(shí)，只有當(dāng)它們匹配比例合適時(shí)，才能起到好的增強(qiáng)作用，否則大塊的析出物過多會(huì)導(dǎo)致合金中孔隙的形成，從而不利于硬度的提升。由圖4可知，實(shí)驗(yàn)中AZ91-1.0%Nd-3.0%Ce合金的顯微硬度最高，比原始AZ91硬度提高了HV34。分析其顯微硬度值比基體增高的原因主要是當(dāng)?shù)诙噘|(zhì)點(diǎn)彌散在基體中時(shí)，可以阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而使材料強(qiáng)化，顯微硬度提高。同時(shí)，材料的硬度與材料的密度也有密切的關(guān)系。稀土氧化物能夠填充鎂合金表面疏松的MgO孔隙[10]，使得合金表層密度增大，對(duì)硬度有一定的提升作用。

由圖5可知，AZ91合金的起燃溫度也并不隨某一種或復(fù)合稀土元素含量的增加而單調(diào)變化，甚至個(gè)別情況下，某種稀土元素的添加反而降低了合金的起燃溫度。Ce含量為3.0%的一組AZ91合金的起燃溫度提高最多，使合金燃點(diǎn)提高超過20℃。AZ91-3.0%Nd-1.0%Ce這組成分下，合金的起燃溫度最高，達(dá)到586℃，比原始AZ91合金提高了約30℃。

綜合對(duì)比圖4和圖5可發(fā)現(xiàn)，合金硬度大小與燃點(diǎn)高低間的關(guān)系并不對(duì)應(yīng)，即并不一定在某一成分下硬度高，合金的起燃溫度就高。個(gè)別情況，AZ91-3.0%Nd-1.0%Ce這組成分下，合金起燃溫度是實(shí)驗(yàn)中最高的，而其顯微硬度卻很低。通過多組實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，AZ91-3.0%Ce-xNd（x=0，1%，3%）合金燃點(diǎn)和硬度比原始AZ91合金相比均有很好的提升。

3 結(jié)論

（1）稀土元素Nd、Ce加入AZ91合金后，合金主要由α-Mg基體相、層片狀共晶相以及析出的塊狀相Al2Nd和/或Al4Ce組成。隨著Nd、Ce添加量的增多，合金中層片狀共晶相減少，塊狀析出相增多，這主要是由于稀土元素優(yōu)先搶奪了合金中用于形成β相的鋁元素而形成“Al-稀土”化合物造成的。

（2）AZ91合金的起燃溫度和顯微硬度并不隨某一種或復(fù)合稀土元素含量的增加而單調(diào)變化，而是兩種稀土元素共同作用的結(jié)果。當(dāng)兩元素達(dá)到較好的匹配時(shí)，才能對(duì)燃點(diǎn)和硬度起到提升作用。合金顯微硬度與燃點(diǎn)間的關(guān)系也并非高低相對(duì)應(yīng)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，AZ91-3.0%Ce-xNd（x=0，1%，3%）合金燃點(diǎn)和硬度比原始AZ91合金相比均有很好的提升，尤其是AZ91-3.0%Ce-1%Nd合金在兩數(shù)據(jù)上達(dá)到了最佳的匹配。

[1]Zhao Weimin，Sun Yong，Li Haipeng，et al.The effects of some elements on the igniting temperature of magnesium alloys[J].Materials Science and Engineering B，2006，127:105-107.

[2]范超，李華基，饒勁松.阻燃鎂合金的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].冶金叢刊，2005（6）:38-40.

[3]Guoqiang You，Siyuan Long，Rongfei Li.Effective Protection of Magnesium Melt Surface from Oxidation Using HFC125-Containing[J].Materials Science Forum，2007，546-549:119-122.

[4]翟春泉，丁文江，徐小平.新型無公害鎂合金熔劑的研制[J].特種鑄造及有色合金，1997（4）:48-50.

[5]王志峰，趙維民，李永艷，等.Mg-3.2Y-0.9Ce合金氧化膜形成熱力學(xué)研究[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2008（6）:26-29.

[6]樊建鋒，楊根倉(cāng)，周堯和，等.純鎂的高溫氧化特性研究[J].鑄造技術(shù)，27（6）:605-608.

[7]趙陽，王志峰，孟憲闊，等.Mg-RE合金的阻燃能力研究[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2010（5）:9-12.

[8]樊建鋒，楊根倉(cāng)，周堯和，等.Mg-3.5Y-0.8Ca阻燃鎂合金的高溫氧化特性[J].中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2006，16（10）:1716-1723.

[9]樊建鋒，楊根倉(cāng)，程素玲.稀土阻燃鎂合金的高溫氧化動(dòng)力學(xué)研究[J].稀有金屬材料與工程，2004，33（12）:1266-1269.

[10]Weimin Zhao，Zhongfang Shi，Zhifeng Wang，et al.Effect of Rare-Earth Elements on the Ignition-Proof Behavior of Industrial Pure Magnesium[J].Materials Science Forum，2010，654-656:1464-1467.

Effect of RE Ce、Nd on Microstructure、Microhardness and Ignition Point of Mg Alloy AZ91

WANG ZhiFeng，DING Jian，LI YongYan，ZHAO WeiMin
（School of Materials Science and Engineering Hebei University of Technology，Tianjin 300130，Tianjin China）

The effect of rare earth elements Ce and Nd on microstructure，microhardness and ignition point of AZ91 Magnesium alloy has been studied.The results showed that the lamellar eutectic phases reduced while massive precipitated phases increased with the increasing additions of Ce and Nd.This phenomenon can be attributed to the change of the combined elements with aluminum.The Al-rare earth compounds preempted parts of β-phases.The values of microhardness and ignition point of AZ91 alloy do not monotonically change with the additions of one or two rare earth elements.Moreover，it is not consistent between the alteration trends of microhardness and ignition point of AZ91 alloy.AZ91-3.0%Ce-1%Nd which is the optimal composition in the two kinds of evaluating data has prosperous application future.

Mg alloy；Ignition point；Microhardness；Rare earth

TG146.2+2;

A；

1006－9658（2011）04－4

河北省自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（E2010000121）

2011－01－19

2011－008

王志峰（1982－），男，博士研究生，研究方向：輕合金及其加工技術(shù)